艦艇紅外隱身技術(shù)的探討*

周軍龍，呂相銀，周元璞

(電子工程學(xué)院安徽省紅外與低溫等離子體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230037)

0 引言

隨著紅外探測(cè)技術(shù)和紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，水面艦艇面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的紅外威脅。由于排熱量大，海上背景環(huán)境相對(duì)較冷且一致性較好，水面艦艇的紅外特征很容易被探測(cè)與識(shí)別，再加上紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈只要接收一定強(qiáng)度的熱輻射信號(hào)就能有效命中目標(biāo)，紅外輻射特征已成為水面艦艇防御中的一個(gè)突出問(wèn)題。現(xiàn)代軍事技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了“目標(biāo)只要被發(fā)現(xiàn)，就能被命中;只要被命中，就能被摧毀”的水平。因此，設(shè)法降低水面艦艇紅外特征已引起各國(guó)海軍的高度重視，成為提高水面艦艇生存能力的主要措施之一。

1 艦艇的紅外輻射源

處于海洋環(huán)境中的艦艇無(wú)時(shí)無(wú)刻不在產(chǎn)生著紅外輻射。按照產(chǎn)生來(lái)源的不同，艦艇紅外輻射可分為內(nèi)生紅外輻射和外生紅外輻射。

1.1 內(nèi)生紅外輻射源

艦艇內(nèi)生紅外輻射源的熱量主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和其他動(dòng)力設(shè)備的散熱、發(fā)動(dòng)機(jī)的排放、通風(fēng)設(shè)備的排氣及艦艇內(nèi)部艙室的熱損耗等。其中屬煙囪管壁和排氣煙羽的紅外輻射最烈，是不可忽視的紅外輻射源。煙囪管壁的可見(jiàn)金屬面積一般在2～5 m2，溫度一般在400～500℃，溫度高，所處位置也高，是艦艇最強(qiáng)的內(nèi)生紅外輻射源，最容易被敵方紅外探測(cè)器發(fā)現(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣煙羽與煙囪管壁的溫度相當(dāng)，由它產(chǎn)生的紅外輻射同樣強(qiáng)烈。另外，排氣煙羽后面的桅桿、排氣煙道附近表面的暖流區(qū)域、圍阱和機(jī)艙區(qū)、主推進(jìn)系統(tǒng)的熱終端部件等也會(huì)不同程度地產(chǎn)生紅外輻射。

1.2 外生紅外輻射源

艦艇的外生紅外輻射源于艦艇表面對(duì)外部環(huán)境輻射的吸收和反射，比如太陽(yáng)、天空、海面、大氣等，且屬太陽(yáng)的影響最為關(guān)鍵。當(dāng)煙囪管壁和排氣煙羽等小范圍高強(qiáng)度的紅外輻射源被有效控制后，艦艇紅外輻射就來(lái)源于艦體表面的熱輻射，包括船體、甲板和上層建筑。通常，艦艇表面的溫度比煙囪管壁和排氣煙羽的溫度低得多，與所處背景的溫差小，但它的有效輻射面積大，仍會(huì)產(chǎn)生明顯的紅外輻射特征，在太陽(yáng)加熱條件良好的情況下尤其如此，極易成為紅外制導(dǎo)武器攻擊的目標(biāo)。

圖1所示為加拿大Davis公司用NTCS軟件計(jì)算出的某護(hù)衛(wèi)艦艇體不同表面與環(huán)境的溫差隨太陽(yáng)高度的變化情況。可見(jiàn)，當(dāng)太陽(yáng)逐漸升起時(shí)，艦艇表面與環(huán)境的溫差迅速增大，10°的太陽(yáng)高度角將引起10℃溫差，艦艇甲板的溫度變化尤為劇烈，即使在冬天也是如此。因此，艦艇表面也是艦艇重要的紅外輻射源之一［1］。

圖1 艦艇表面與環(huán)境的溫差隨太陽(yáng)高度的變化Fig.1 Temperature differences between surface of naval vessels and environment varies with altitude of the sun

2 艦艇和背景輻射的理論分析

水面目標(biāo)和背景的輻射由2部分構(gòu)成:自身的輻射和反射環(huán)境的輻射。具體到艦艇而言，其表現(xiàn)的輻射亮度應(yīng)該為自身的直接輻射亮度與反射環(huán)境輻射亮度之和［2］:

式中:εr為艦艇發(fā)射率;ρr為艦艇反射率;Lbo為與艦艇等溫度的黑體輻射亮度，下標(biāo)b代表黑體;Le為環(huán)境輻射亮度。

由電磁輻射傳播規(guī)律可知，當(dāng)電磁輻射傳播到物體表面時(shí)，將發(fā)生反射、吸收和透射，滿(mǎn)足

式中:ρ，α，τ分別為反射率、吸收率、透過(guò)率。不透明的物體，可以忽略透過(guò)率，有

由基爾霍夫定律，物體的方向光譜發(fā)射率等于方向光譜吸收率，即α=ε，式(3)變?yōu)?/p>

于是，式(1)變?yōu)?/p>

對(duì)于艦艇，式(5)中環(huán)境輻射亮度來(lái)自于2個(gè)方面:天空背景的輻射和水面背景的輻射，空中的探測(cè)器探測(cè)艦艇時(shí)，其接收艦艇反射環(huán)境的輻射情況為上表面反射來(lái)自天空的輻射，側(cè)面反射來(lái)自水面背景的輻射。對(duì)于鏡面來(lái)說(shuō)，光的反射服從菲湦爾定律;對(duì)于漫射表面，反射服從朗伯定律。對(duì)于絕大部分目標(biāo)來(lái)說(shuō)，其表面介于兩者之間，反射具有一定的方向性，方向強(qiáng)弱取決于目標(biāo)表面的粗糙度。晴朗天空背景的紅外輻射在3 μm以下為散射的太陽(yáng)光線，在3 μm以上是熱輻射，其熱輻射主要是由8～14 μm波段大氣窗口兩側(cè)吸收帶引起的，天空的輻射亮度與大氣溫度和視線仰角有關(guān)。

黑體輻射能量可由普朗克公式計(jì)算選出。黑體的總輻射出射度為［3］

式中:σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，σ=5.670 32×10-8W·m2·K-4;T為物體的絕對(duì)溫度。

黑體在波段λ1～λ2內(nèi)的輻射出射度為

式中:Mbλ為黑體的光譜輻射出射度;

式中:λm為峰值波長(zhǎng)，b=(2 897.8 ±0.4)μm·K。黑體光譜輻射出射度峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)由維恩位移定律確定。

設(shè)某一水面目標(biāo)溫度為T(mén)=300 K，為灰體，發(fā)射率為0.8，由式(6)～(8)經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，輻射的峰值波長(zhǎng)約為9.6 μm，該目標(biāo)的總輻射出射度約為367 W/m2，在8～14 μm波段的輻射出射度為175 W/m2，由上式可以看出常溫物體的紅外輻射在大氣窗口占有相當(dāng)大的比例，現(xiàn)在反艦導(dǎo)彈的紅外成像導(dǎo)引頭多工作在這一波段。研究抑制艦艇在這一波段的紅外輻射具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

同艦艇表觀輻射亮度類(lèi)似，可以得出背景的表觀輻射亮度。

式中:εB為背景的發(fā)射率;LB為與背景等溫度的黑體輻射亮度。

對(duì)于水面背景，式(7)中的環(huán)境輻射亮度是來(lái)自天空的輻射，式(9)可以改寫(xiě)為

式中:LA為天空輻射亮度。

3 艦艇紅外隱身的相關(guān)要求

水面目標(biāo)與背景輻射的對(duì)比度是探測(cè)系統(tǒng)從背景中發(fā)現(xiàn)水面目標(biāo)的基礎(chǔ)。水面目標(biāo)與背景的絕對(duì)輻射對(duì)比度定義為［4］

對(duì)于目標(biāo)上表面情況，式(5)中 Le=LA，式(5)，(10)代入式(11)，可得:

實(shí)現(xiàn)隱身的最終目標(biāo)是水面目標(biāo)與環(huán)境的絕對(duì)反差CA為0，于是可以得到進(jìn)行隱身所需的目標(biāo)發(fā)射率:

從式(11)中可以看出，水面目標(biāo)上表面隱身所需發(fā)射率由4個(gè)因素決定:目標(biāo)的溫度、背景的溫度、背景的發(fā)射率和環(huán)境的輻射亮度。根據(jù)式(13)，可以計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)隱身所需發(fā)射率與目標(biāo)背景之間的關(guān)系。目標(biāo)與背景溫差越大，所需目標(biāo)發(fā)射率越低。采取措施降低水面艦艇的溫度，從而在不降低水面艦艇發(fā)射率的情況下達(dá)到隱身的效果。

對(duì)于水面目標(biāo)側(cè)面情況，水面目標(biāo)反射的輻射是水面背景的輻射，此時(shí)有:

于是，目標(biāo)與背景的絕對(duì)反差:

由式(15)可以看出，對(duì)于目標(biāo)側(cè)面，若要絕對(duì)反差為0，目標(biāo)本身發(fā)射率就要為0，這時(shí)目標(biāo)側(cè)面是鏡面，完全反射水面背景的輻射，這就意味著光滑的表面可以更好地使目標(biāo)隱藏于背景之中。式(15)指明了降低水面艦艇與背景絕對(duì)反差的方法:一是降低水面艦艇側(cè)面的發(fā)射率，使之盡量光滑;二是降低Lbo，即降低水面艦艇表面的溫度，水面艦艇的溫度低到一定程度時(shí)，可以造成水面艦艇與背景絕對(duì)反差為0。

從以上分析可知，水面目標(biāo)輻射紅外能量不僅決定于水面目標(biāo)的溫度，還決定于水面目標(biāo)的發(fā)射率。溫度相同的物體，由于發(fā)射率的不同，而在紅外探測(cè)器上顯示出不同的紅外圖像。鑒于艦艇的輻射都強(qiáng)于背景，所以采用低發(fā)射率的涂料可顯著降低艦艇的紅外輻射能量。另一方面，為降低艦艇表面的溫度，熱紅外偽裝涂料在可見(jiàn)光和近紅外還具有較低的太陽(yáng)能吸收率和一定的隔熱能力，以使艦艇表面的溫度盡可能接近背景的溫度，從而降低艦艇和背景的輻射對(duì)比度，減小艦艇的被探測(cè)概率［5］。

4 艦艇的紅外隱身技術(shù)措施

艦艇隱身并不是要求實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的“不可視”，而是要抑制艦艇的紅外輻射，降低艦艇的被探測(cè)系數(shù)，并盡量減少電子信號(hào)特征，其目的就是降低艦體特別是其熱點(diǎn)的溫度，使其接近于周?chē)h(huán)境的溫度，從而使紅外探測(cè)系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)而達(dá)到隱身［6］。

目前，艦艇的紅外隱身技術(shù)包括3方面內(nèi)容:①改變艦艇的紅外輻射特性，即改變艦艇表面各處的輻射率分布;②降低艦艇的紅外輻射強(qiáng)度，即通常所說(shuō)的熱抑制技術(shù);③調(diào)節(jié)紅外輻射的傳播途徑(包括光譜轉(zhuǎn)換技術(shù))［7］。

4.1 改變艦艇的紅外輻射特性

主要有以下幾項(xiàng)技術(shù):

(1)改變紅外輻射波段

改變紅外輻射波段，一是使艦艇的紅外輻射波段處于紅外探測(cè)器的響應(yīng)波段之外;二是使艦艇的紅外輻射避開(kāi)大氣窗口而在大氣層中被吸收和散射掉。

(2)模擬背景的紅外輻射特征技術(shù)

模擬背景紅外輻射特征是通過(guò)改變艦艇的紅外輻射分布狀態(tài)，使艦艇與背景的紅外輻射分布狀態(tài)相協(xié)調(diào)，從而使艦艇的紅外圖像成為整個(gè)背景紅外輻射圖像的部分，使敵方難以識(shí)別。

(3)調(diào)節(jié)紅外輻射的傳輸過(guò)程

通常采用在結(jié)構(gòu)上改變紅外輻射的輻射方向技術(shù)。結(jié)構(gòu)上改變紅外輻射特性的方法有很多，目前也在研究探索中。如避免艦艇紅外熱源的集中;設(shè)計(jì)穿浪艦首的嶄新船體;改變上層建筑特別是煙囪的形狀;降低主機(jī)排氣口距水面的高度等;盡量將裝備內(nèi)置，盡量減少外露設(shè)備像武器系統(tǒng)、救生艇、電子設(shè)備等等原來(lái)艦上外置的東西，只要能內(nèi)置的就絕不外露。

(4)紅外隱身涂料

利用低發(fā)射率的熱紅外隱身涂料涂敷在機(jī)艙等機(jī)器處所的船體板上，加強(qiáng)隔熱和絕熱效果，以達(dá)到降低其遠(yuǎn)紅外波段輻射的目的。

(5)紅外隱身材料

在船體上廣泛選取復(fù)合紅外隱身材料，其隱身功能由紅外低發(fā)射率、高漫反射率、低比重的鋁粉作填料及低發(fā)射率的鈦酸丁酯為粘接劑的復(fù)合涂層提供。如英國(guó)的“海幽靈”護(hù)衛(wèi)艦艦體上廣泛采用復(fù)合材料，以降低艦艇的紅外信號(hào)特征。

4.2 降低艦艇的紅外輻射強(qiáng)度

降低艦艇的紅外輻射強(qiáng)度也就是降低艦艇與背景環(huán)境因素的熱對(duì)比度，使敵方紅外探測(cè)器接收不到足夠的能量，減少艦艇被發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤的概率。它主要是通過(guò)降低輻射體的溫度和采用有效的涂料來(lái)降低艦艇的輻射功率。其原理主要包括減熱、隔熱、吸熱、散熱和降熱等等。

具體可采用以下幾項(xiàng)技術(shù)手段:

(1)減少艦艇散熱源

盡量減少散熱源，采用散熱量小的設(shè)計(jì)和部件，采用閉環(huán)輕型冷卻系統(tǒng)，改善氣動(dòng)力特性，減少氣動(dòng)力摩擦。

(2)熱屏蔽技術(shù)

采用熱屏蔽技術(shù)，以隔阻艦艇內(nèi)部發(fā)出的熱量，使之難以外傳。一是在整機(jī)布局上考慮熱屏蔽手段，以求降低艦艇的紅外輻射強(qiáng)度;二是對(duì)噴管等重要部位進(jìn)行紅外遮擋。

(3)噴涂涂料

在艦體表面涂敷降低紅外輻射的絕熱涂料，減弱對(duì)太陽(yáng)能的吸收和輻射，從而降低艦體表面的溫度，達(dá)到降低輻射功率的目的。

(4)空氣對(duì)流散熱技術(shù)

空氣的輻射集中在大氣窗口以外的波段上，是一種能對(duì)紅外輻射進(jìn)行自遮蔽的散熱器。所以紅外探測(cè)系統(tǒng)只能探測(cè)熱目標(biāo)，而不能探測(cè)熱空氣。空氣對(duì)流散熱技術(shù)充分利用空氣的這一特性，將熱能從艦艇表面或涂層表面?zhèn)鹘o周?chē)諝狻?/p>

(5)熱廢氣冷卻技術(shù)

艦艇所排放的熱廢氣也是艦艇主要的紅外輻射源，為了降低其紅外輻射強(qiáng)度，主要有2種方法:①將廢氣通過(guò)排氣管中注入海水使之冷卻到60～80℃后，在船尾稍高于水線的部位排放;②改變煙囪設(shè)計(jì)，使廢氣從煙囪中排放出來(lái)之前，經(jīng)過(guò)冷空氣或者冷水的冷卻，從而降低其廢氣的紅外特征信號(hào)。

(6)噴淋水霧系統(tǒng)

1)噴淋系統(tǒng)

噴淋系統(tǒng)主要借助海水對(duì)艦艇表面的過(guò)熱區(qū)域進(jìn)行冷卻。這可以使艦艇在各種大氣環(huán)境下大大降低紅外特性，理想情況下，噴淋系統(tǒng)能夠?qū)⒄麠l船表面與周?chē)h(huán)境之間，以及船體各表面之間的溫差降低到5℃。

2)噴霧系統(tǒng)

水霧對(duì)紅外輻射的衰減主要是由于水霧對(duì)紅外輻射的吸收和散射作用。水霧對(duì)紅外輻射具有選擇性吸收作用，水分子在 3.17，4.63，4.81，11.80 μm等波長(zhǎng)處具有很強(qiáng)的吸收作用。水霧粒子的半徑大部分在0.5～5.0 μm之間，與紅外輻射的波長(zhǎng)差不多，因此水霧對(duì)紅外輻射會(huì)產(chǎn)生米氏散射。如英國(guó)的“海魂”號(hào)就裝備了獨(dú)特的噴霧系統(tǒng)，需要時(shí)可在幾秒種內(nèi)產(chǎn)生細(xì)水霧，將全艦罩起來(lái)，大大降低紅外輻射［8］。

4.3 光譜轉(zhuǎn)換技術(shù)

光譜轉(zhuǎn)換技術(shù)就是利用一些隱身涂料吸收艦艇在3～5，8～14 μm這2個(gè)大氣窗口內(nèi)的紅外輻射，同時(shí)發(fā)射這2個(gè)大氣窗口以外的中遠(yuǎn)紅外輻射，這樣艦艇輻射落在大氣窗口以外，完全被大氣吸收和散射掉，從而減小艦艇被探測(cè)的概率。

5 艦艇紅外隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

目前隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有以下特點(diǎn):①全波段隱身，既要兼顧紅外隱身、可見(jiàn)光隱身和激光隱身，也要考慮雷達(dá)隱身;②目標(biāo)全方位隱身;③多功能紅外技術(shù)隱身;④低成本紅外隱身措施;⑤智能化隱身技術(shù)［9］。

隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，在不久的將來(lái)，艦艇必將具備智能隱身的功能。屆時(shí)，如果艦艇感應(yīng)到被探測(cè)，那么智能隱身系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)識(shí)別敵方反艦武器的制導(dǎo)方式，同時(shí)通過(guò)控制器使艦艇在外形、隱身材料的性能上發(fā)生相應(yīng)改變以干擾敵方探測(cè)，從而降低被探測(cè)的概率。

［1］ 袁江濤，楊立，陳翾，等.現(xiàn)代艦船紅外輻射及其控制策略分析［J］.激光與紅外，2006，36(10):943-947.

［2］ 陳曄，劉晉南，吳志飛.水面艦艇的紅外輻射及紅外隱身技術(shù)分析［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2007，28(5):23-24.

［3］ 徐淦卿，陳玨，程?hào)|杰.紅外物理與技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1989.

［4］ 王進(jìn)昌，朱天明.水面艦艇的紅外輻射及紅外隱身技術(shù)［J］.紅外，2006，27(2):29-30.

［5］ 朱英富，張國(guó)良.艦船隱身技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2005.

［6］ 王建，張迪超，蒲元遠(yuǎn)，等.艦艇的紅外隱身技術(shù)［J］.艦船電子工程，2008，28(3):37-38.

［7］ 侯振寧.艦艇的紅外隱身技術(shù)［J］.艦船電子對(duì)抗，2001，(6):24-28.

［8］ 陶智.艦艇紅外隱身技術(shù)的幾點(diǎn)思考［J］.艦船電子工程，2010，(6):9-11.

［9］ 張紫輝，徐曉剛，石小玉.水面艦艇目標(biāo)紅外隱身技術(shù)［J］ .紅外，2007，28(11):1-3.